基于单片机的铁路道口报警系统设计

2022-06-23孙鹏宇魏立明何佳旺

北方建筑 2022年2期

孙鹏宇，魏立明，何佳旺

（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春 130118）

0 引言

伴随着科技的发展、生活节奏速度的加快，快速便捷的交通能力不断提高，现代交通运输在生活中扮演的角色越来越重要。尤其是在铁路部门，其运输与水路、公路与航空等部门相比，不仅方便快捷，且全天运营、容量大，并有着较低的运输成本。因此，铁路运输作为一种安全、快速的运输方式受到大众的青睐。然而，需要注意的是，如果忽视了铁路的安全保障工作，来往的车辆、行人可能与行驶中的列车发生交通事故，会对人们的生命和财产安全造成重大的损失。因此，行人、汽车、列车应有序通行，进行安全预防工作尤为重要。铁路平交道口，实际上是公路和铁路的汇合点。因此，往来的车辆、行人很容易与行驶中的火车发生碰撞，因此必须让火车、汽车、行人和其他交通工具有条不紊地参与到交通行为中，以确保生命和财产的安全，交通畅顺。

1 系统简介及工作原理

1.1 系统简介

整个系统的设计过程可以根据预先计算出的距离在铁路轨道的特定位置处安装传感器。如果列车将要经过路口，需要提前60 s～100 s发出声、光的预报警信号，可以在列车到达之前发出警报信号。能够提醒车辆和行人，保障他们的安全。为起到警示作用，一般将信号设计成双光模式[1]。比如，绿灯状态下代表没有车辆接近，交叉路口通常是打开的，可以通行。红灯状态代表有车辆正在接近，此时禁止行人通行与车辆过往。这样既便于控制交叉口的开启，也方便铁路道口的管理，并且可以快速有效地确保人员的安全。系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

1.2 系统的工作状态

整体设计过程中力求节约资源、行之有效。作为重中之重的传感器系统，当交叉口房间的上位机系统检测到外来信号传入时，工作人员能够接收到接近车辆的信息，从而实现自动报警功能，如图2所示。

图2 系统工作的状态示意图

在整个系统工作流程中，需要预先设计好基本图纸、明确各部分的功能，以及对应信息的储存位置。在这里，要考虑铁轨上传感器部分，需要将系统主机安装在房间里，注意传感器与系统主机之间的距离。

1.3 系统的技术指标

本系统涉及的技术指标见表1。

表1 系统的技术指标

当列车以某一指定速度经过传感器时，在传感器处会产生1个一定强度的脉冲信号，在示波器处会产生2个固定频率的输出波形。等列车通过后，在相反的轨道上重复此过程。实验结果如图3～图4所示。

从图3～图4中可以发现，本文的设计结构能够达到预期的效果。在后期施工过程中，系统可以自由切换方式来选择报警的方向。

图3 左侧轨道传感器脉冲图

图4 右侧轨道传感器脉冲图

2 系统硬件设计

2.1 传感器选择依据

本设计过程中所选用凸极磁电跟踪传感器，传输速度快，信号转换效率高，供电电压是12 V，输出信号是电压。一般轨道传感器多采用速度信号，传输速度慢，信号可靠性低,而且在取样速度比较快的同时会容易产生多余的输出信号,这样就可能会大大降低系统的信号精准分辨率和信号灵敏度[2]。此传感器能够改善一般轨道传感器中存在的信号在传播中断时的中断现象；而且在遭遇极端天气时，能够避免出现像传统传感器的信号输出效率低下，及传感器的内部结构受损现象。在传统轨道传感器的设计基础上，需要进一步完善和优化，使该传感器能够完善其余各类传统轨道传感器存在的缺陷。而磁电式传感器的磁极为一个凸出极式磁电结构,且磁极中心底部设有半密封极结构凸极磁铁芯。且具有良好的防风雨雷电检测性能和比较高的信号灵敏度,即使在遭遇风雨雷电等各种恶劣条件下,也依然能非常精准、准时地高速输出有效信号。传感器的工作原理主要有以下2点。

图5 电压与速度的关系

2）感应信号电压E和工作间距H的变化趋势如图6所示。

图6 感生信号电压与工作间隙的关系

2.2 传感器安装及使用方法

为确保整个系统能够安全准确地运行，不仅在传感器选择上具有严格的标准，对于传感器的安装和使用方法也要有严格的要求。因为如果在安装位置上出现问题，将很有可能影响到最终的检测结果，甚至造成不必要的危险和伤亡[3]。所以，为保证传感器能安全稳定工作，结合传感器自身及铁路的实际情况，其安装过程应考虑以下几个因素。

首先，车辆踏面允许的最大范围应为9 mm，达此限度的车轮踏面将不可以再使用；其次，车辆轮沿高度25 mm，机车轮沿高度为28 mm。在实际设计和应用过程中，需要考虑的是：传感器应用必须安全无风险、无不良后果。且满足信息传输效率和准确率达到一定标准等相关因素。系统在设计过程中应使传感器面距离铁轨面的高度为37 mm；在没有机动车辆及重型车辆行走的情况下，此高度可调整为34 mm。

传感器的具体安装：由于整个系统硬件电路主要是由单片机控制实现的。而单片机系统则需由触发信号算出火车的行驶速度，所以结合物理知识，为了便于测量和计算，将触发端设计成2个传感器并排放置的形式。可以设定2个传感器之间的距离长度为s，并由2个脉冲之间的间隔便可借助软件计算出速度。设系统检测到车轮通过2个传感器所用时间为t，则列车接近速度为v=s/t。

当火车已到达道口后，系统不需要继续发出警报，只需在道口安装一个复原端传感器即可。本系统采用一只磁电式传感器便可实现。火车到道口，即通过传感器给系统1个脉冲信号，系统收到信号，即可停止警告，与此同时，完成了整个过程。传感器设计和安装部分基本完成。触发、复原传感器如图7～图8所示。

图7 触发传感器实物照片

图8 复原传感器实物照片

2.3 信号处理电路设计

在系统的运行处理过程中，此时若有一班列车再次靠近并经过列车传感器时,传感器中所传递的信号往往不是单一的列车信号,可能只是混杂了具有干扰性的信息。只有对其中有用信息信号筛选处理,才能够使其供正常应用程序模块使用，否则系统会有碍于下一步的运行。系统信号处理电路的执行功能有以下几点：①分离组合信号，形成脉冲信号；②准时地对车轮信号中所包含的一系列抖动干扰信号作出有效的滤波；③分离出复合信号中包含的故障信号；④对复合模拟信号中有用的车轮信号进行分离处理，并将其整合为脉冲信号；⑤为了便于对设备的维护,应当配置1个处理电路的自检和控制装置及1个信号显示器[4]。

每个信号的接口通道的组成分为：中断控制逻辑、信号调节电平、光电隔离电平、锁存门电平和信号输入电平。凸极磁电跟踪传感器的输出：9管脚；输出信号：15管脚、16管脚。信号处理电路图如图9所示。

图9 信号处理电路图

2.4 系统主电路设计

ARM芯片作为目前主流的嵌入式系统芯片，运算速度快、信号转化效率高。其核心分为14个系列，可细分为100种子系列。作为列车终端的主控芯片，一般需要考虑以下几个方面：①芯片的运行速度；②主控芯片与模块硬件的接口。综合考虑上述2个方面，列车运输终端的主控制器芯片主要设计主要采用STM32F103臂式意法半导体芯片，该芯片信号处理速度快，运行时间短，价格便宜，且开发周期短。

3 系统软件设计

3.1 设计思路

为了使整体设计思路更加清晰明了，软件设计过程大致包括4个部分：①软件设备的初始化；②设备自我检测及断线检测；③接入键盘管理；④列车接近时，报警系统的自我检测。

3.2 列车通过复原流程设计

在系统设计过程中，要求在列车完全通过轨道交叉道口后，各个部分的设备需要重新恢复正常工作状态。当两列快速列车同时或间断通过时，由4#和5#两个列车检测点检测并驶向铁路的交叉口,列车过后，4#和5#两个检查站同时恢复列车警报。同时，4#也可能需要负责同时恢复1#点和检测点的相关报警控制信号。到目前为止，只有整个报警系统正式完成报警功能。十字路口的逻辑框图见图10所示。

图10 道口平面逻辑图

由于1#，5#两个实时检测点不能同时连接检测一辆来车,所以将这两个点均重新定义以作为能连接到检测来车的实时报警点。图11中14#点分别定义了作为一辆列车接收到两个信号同时报警的两个复原对等点,4#点被分别定义为1辆发车同时接受2次报警的2个复原对等点,15#点分别定义了作为1辆发车同时接受2次报警的2个复原对等点[5]。为完整数据恢复，重新定义每个检查点的原因是4#，5#，14#，15#为检查点内的范围。14#是触发传感器，检测到列车触发为1#，按流程图向下进行；工作标，是判断确认，同时检测到为1#，执行对应操作，如图11所示。

图11 软件复原流程图

4 系统调试

4.1 实验系统验证调试

为了使该系统在现场完成安装之后能够稳定地运行,需要做到在模拟仿真或者到现场进行安装调试之前,在实验室里对该系统进行大量的测试准备。为了检测到模拟列车通过时由于车轮传感器向其发出的脉冲信号,需要针对各个道口所有车辆通过的实际路段线和信号采样地点的差异,研发出一种新型的模拟信号控制板和试验模块,信号处理模块采用的是HJR101-模拟信号控制板，如图12～图13所示。

图12 信号实验板

图13 控制板电路

4.2 系统模拟运行

在进行实验的整个过程中,将看到模拟触发脉冲传感器的1个控制按键被自动关闭后,就可能会向控制系统内部发出1个模拟脉冲控制信号。所以每次按下1个模仿火车轨道传感器的按钮,系统就会自动使得火车上只有经过了1个模拟线路复原后的传感器,系统自动模拟，并停止向列车发送报警信号。设置后可以显示当时的时间，相当于数字钟的功能，如图14所示,系统实验电路如图15所示。